УДК 621.891

МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ ОТ ФРЕТТИНГА

Шорин владимир Алексеевич1, Смогунов Владимир Васильевич2, Кочетков Денис Викторович3
1Пензенский государственный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика и графика»
2Пензенский государственный университет, доктор технических наук, профессор кафедры «Теоретическая и прикладная механика и графика»
3Пензенский государственный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры «Теоретическая и прикладная механика и графика»

Аннотация
Данная статья посвящена методам защиты поверхностей деталей от фреттинга. Установлено, что отказы валов малой жесткости обусловлены в большей степени фреттингом (фреттинг-коррозией, фреттинг-усталостью, и фреттинг-износом). Для исследования возможности реализации эффекта безызносности и его эффективности в условиях фреттинга проведен комплекс многовариантных испытаний смазок.
Наилучшие триботехнические характеристики имеют образцы смазок с 6 % содержанием порошка меди.

Ключевые слова: валы малой жесткости, избирательный перенос, коэффициент трения, параметры оптимизации металлоплакирующей смазки, фреттинг-коррозия


METHODS OF SURFACE PROTECTION OF PARTS FROM FRETTING

Shorin Vladimir Alekseevich1, Smogunov Vladimir Vasilyevich2, Kochetkov Denis Viktorovich3
1Penza State University, candidate of Technical Sciences, associate professor the Chair of Theoretical and applied mechanics and graphics
2Penza State University, doctor of Technical Sciences, professor the Chair of Theoretical and applied mechanics and graphics
3Penza State University, candidate of Technical Sciences, associate professor the Chair of Theoretical and applied mechanics and graphics

Abstract
This article is devoted methods to protect surfaces from fretting parts. It is found that low-rigid shaft failures due largely fretting (fretting corrosion, fretting fatigue and fretting wear). To investigate the feasibility of wearlessness effect and its effectiveness in terms of fretting, a complex multivariate tests of lubricants.
The best tribological characteristics greases are samples with 6% of copper powder.

Keywords: coefficient of friction, fretting corrosion, low-rigid shaft, optimization parameters of metalplacking lubricant, selective transfer


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Шорин в.А., Смогунов В.В., Кочетков Д.В. Методы защиты поверхностей деталей от фреттинга // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 2 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/02/64537 (дата обращения: 20.11.2016).

Узлы трения текстильных машин, а также другого технологического оборудования имеют многочисленные места контактов однородных металлов, которые подвергаются динамическим (вибрационным) циклическим нагрузкам. Резьбовые соединения являются одним из наиболее распространенных соединений в машиностроении. К ним относятся соединения многозвенных валов малой жесткости (ВМЖ), такие, например, как вытяжные цилиндры прядильных, ленточных, ровничных и других машин. 
О жесткости вала судят по отношению его длины (l) к диаметру (d); k = l/d . К валам, квалифицированным как жесткие, относятся валы, для которых k = 3…5; у валов средней жесткости k = 5… 10, валы при k = 10…12 и более относятся к маложестким.
Валы прядильного оборудования (их принято называть звеньями по ГОСТ 12188) относятся к маложестким. Коэффициент k, оценивающий жесткость изменяется от 11 до 41 [1]. Звенья представляют собой ступенчатые валы длиной от 456 до 1260 мм с центрирующей поверхностью и резьбой для соединения их в линию, которая имеет протяженность от 1,5 до 16 м и является многоопорным многозвенным валом.
К отказам резьбового соединения ВМЖ относятся: неразвинчиваемость линии на звенья; усталостные разрушения; повреждения центрирующей части, резьбы и торцевых поверхностей в месте соединения валов фреттинг-коррозией; смятие резьбы (рисунок 1). 


Рисунок 1. Повреждение вала малойжесткости фреттинг-коррозией

Причины перечисленных отказов обусловлены в большей степени фреттингом (фреттинг-коррозией, фреттинг-усталостью, и фреттинг-износом).
Если после сборки валов соединение подверглось фреттинг-процессам, то в 35 случаях из 100 контрольных соединений из разъемных, ремонтируемых превращаются в неразъемные – неремонтируемые. Многие звенья (2, 3… n) по этой причине выбраковываются. 
В отдельных случаях для разборки соединения валов применяются специальные приспособления и технологии, приводящие к повреждению резьбы.
Величина износа при фреттинге зависит от режимов работы трибосопряжений (ТС) машин (нагрузка, скорость, температура), физико-механических свойств материалов, природы окружающей среды и др. Чувствительность к фреттингу наиболее высока при режимах с преобладанием небольших амплитуд скольжения. Фреттинг происходит в основном между номинально неподвижными соединениями деталей, например линия ВМЖ, состоящая из ряда звеньев (вытяжных цилиндров, мотальных, плющильных валов). Этот вид повреждений наблюдается при работе машин в условиях вибрации. Для возбуждения фреттинга достаточно перемещений с амплитудой 0,025 мкм. Текстильному и другому технологическому оборудованию характерна конструктивно неустранимая вибрация. Амплитуда такого движения обычно составляет 0,025…100 мкм. 
Фреттинг чаще всего присутствует в соединениях, работающих без смазки или при ограниченном ее наличии. Фреттинг в ТС, работающих в масле, в одних случаях ослабляется, в других этот эффект не наблюдается. Интенсивность и экстенсивность повреждений фреттингом зависит от свойств смазочных материалов и характера и величины вибросмещений, температуры, нагрузки и др.
В ходе исследования фрикционного окисления в процессе трения в зонах контактирования поверхностей таких соединений можно сформулировать следующие химические уравнения в системе Fe – O – H2O (железо–кислород–частицы воды):
1. 3Fe + 2O2 = Fe3О4
2. 3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2.
3. 2Fe3O4 + ЅO2 = 3Fe2O3.
4. Образуются и гидроокиси типа Fe2O3H2O.
Полученные продукты имеют высокодисперсное состояние.
Наличие оксидов и гидрооксидов железа подтверждены фазовым рентгеноструктурным анализатором продуктов от фреттинг-износа пары “сталь–сталь”. Продукты Fe3O4, Fe2O3, Fe2O3H2O являются чисто коррозионными продуктами. Оксиды железа обладают высокой твердостью, оказывают абразивное действие на поверхность трения. Фреттинг-износ отличается от других видов износа тем, что большинство его продуктов обычно остаются внутри области контакта. Объем образующихся продуктов значительно больше исходного металла, перешедшего в окисное состояние [1]. 
Таким образом, наличие окислов железа в продуктах износа на контактирующих поверхностях резьбового соединения (посадка Н7/h6 центрирующей части) и подшипникового соединения опоры (посадки Н7/h6 и Н7/js6) вытяжных цилиндров прядильных машин и др., наличие знакопеременного контактного трения с малыми амплитудами скольжения 1,5…15 мкм, окружающая среда воздух с постоянным содержанием влаги (относительная влажность 55…65 %) являются причинами возникновения фреттинг-коррозии. Универсальных средств борьбы с фреттингом нет. Если исходить из того, что взаимное микросмещение поверхностей не может быть полностью исключено вследствие упругости металлов, то для борьбы с фреттингом следует: практически исключить или уменьшить микросмещения; снизить силы трения; сосредоточить скольжение в промежуточной среде [2, 3]. В связи с этим уменьшение количества ТС, подверженных фреттингу, является актуальной задачей при создании технологического оборудования. К более перспективным методам можно отнести различного вида покрытия [4].
В настоящее время в теории смазывания ТС установилось понятие двухслойной смазки [2]. Реализация двухслойной смазки возможна при граничной смазке при использовании специально подобранных поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые формируют на поверхности контакта слои мягкого материала с адсорбированным ПАВ.
Широкое применение получил метод создания двухслойной смазки путем введения в смазочные материалы порошка или соединений низкомодульных металлов, которые в процессе трения осаждаются (намазываются) на рабочие поверхности [3], образуя плакирующий слой. Этот слой по мере изнашивания может восстанавливаться до тех пор, пока не истощится металлосодержащая добавка в смазочном материале или покрытие
Избирательный перенос – наиболее яркое проявление двухслойной смазки, когда слой металла толщиной 1 мкм, покрывающий поверхности трения и слой адсорбировавщегося на нем ПАВ образуется непосредственно в процессе трения, обеспечивая так называемый эффект безызносности. Он представляет собой необычную уникальную модель самоорганизации при трении.
При создании металлоплакирующей смазки с антифрикционными свойствами для защиты резьбового соединения ВМЖ от фреттинг-процессов Пензенским государственным университетом решались многофакторные экспериментальные и теоретические задачи. Для исследования возможности реализации эффекта безызносности и его эффективности в условиях фреттинга проведен комплекс многовариантных испытаний смазок. Для этого проведены испытания образцов смазок с разным количественным содержанием порошка меди по массе и ПАВ (глицерина, олеиновой, стеариновой кислоты). Испытания проводились на четырехшариковой машине трения (рисунок 2 – схема испытательного узла машины) при радиальных нагрузках Р=50, 100, 150 Н (1=1750; 2=2200; 3=2500 МПа). 

Рисунок 2. Схема испытательного узла трения четырехшариковой машны трения

По результатам испытаний определены средние значения моментов трения Мтi, коэффициенты трения fi, интенсивности изнашивания Idi.
При этом определялись воздействующие факторы на фреттинг-процесс, оказывающие также влияние на параметры оптимизации. На основании предварительно проведенного эксперимента установлено, что величина момента трения и коэффициента трения зависит от нагрузки Р0, содержания наполнителя (ультрадисперсный порошок меди) и ПАВ (глицерина и олеиновой кислоты). Выбор интервалов варьирования факторов проведен на основании предварительных опытов в равных условиях. Выбранные факторы и уровни варьирования представлены в таблице 1.

Таблица 1. Факторы и уровни варьирования

Наименование факторов оптимизации
Уровни факторов
Интервалы варьирования
Нижний
–1
Основной
0
Верхний
+1
Х1 – нагрузка Р, Н
50
100
150
50
Х– масса меди, %
2
6
10
4
Х3 – глицерин, %
0
1
2
1
Х–олеиновая кислота, %
0
1
2
1

Для получения математической зависимости в качестве функции отклика (параметра оптимизации) принята характеристика трения, фиксируемая на шкале цифрового прибора и осциллограмме – момент трения Мтi, Нм (условные единицы мм шкалы осциллограммы).
По результатам обработки экспериментальных значений, представленных в матрице планирования, получено следующее уравнение регрессии:

     (1)

На втором этапе оптимизации компонентов при создании смазки проведена оптимизация по коэффициенту трения f:

 ,     (2)

где  – среднее значение момента трения по 25 параллельным опытам, Нм;
= 0,408Р– усилие по нормали на каждый шарик в зоне контакта, Н;
Р0 – радиальная нагрузка 50, 100, 150 Н; 
r – радиус, по которому верхний шарик контактирует с тремя нижними шариками, мм; 
s – среднее квадратическое отклонение, Нм.
На рисунке 3 приведены зависимости коэффициента f трения от радиальной нагрузки Р0 для вариантов исследуемых образцов смазки.

Рисунок 3. Зависимость коэффициента трения от радиальной нагрузки Р0

Выводы:
1. Наилучшие триботехнические характеристики имеют образцы смазок с 6 % содержанием порошка меди. Предпочтение следует отдать образцу 23, коэффициент трения при давлении 2200 Н/мм2 не выходит за допустимое значение  [5], при котором возможно схватывание основного металла ТС – стали.
2. Из результатов эксперимента следует, что эффективным способом подавления фреттинга является реализация эффекта безызносности. Для этого необходима разработка смазочного материала, реализующего эффект безызносности при трении. Результаты испытаний опытных образцов позволили выбрать наилучший вариант, который использован при разработке металлоплакирующей смазки Силимол-3 ТУ 0254-001-02069043 [1].


Библиографический список
  1. Шорин В.А. Комплексное обеспечение точности и работоспособности валов малой жесткости: автореф. дисс. … канд. техн. наук. – Пенза, 2000. – 21 с.
  2. Буяновский И.А., Куксенова Л.И., Рыбакова Л.Н., Фукс И.Г. Некоторые специфические методы организации двухслойной смазки. «Химия и технология топлив и масел» №1 (499), Москва, 2000. С.33-39.
  3. Денисова Н.Е., Гаркунов Д.Н., Шорин В.А. и др. Теоретическое обоснование количественного выбора наполнителя – антифрикционного металла в металлоплакирующей смазке. – Долговечность трущихся деталей машин. – М.: Машиностроение, 1990.
  4. Триботехническое материаловедение и триботехнология: учебн. пособие / Н.Е. Денисова, В.А. Шорин, И.Н. Гонтарь [и др.] / под ред. Н.Е. Денисовой.- Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та. – 2006. – 204 с.
  5. Шкарлет В. И. Изменение коэффициента внешнего трения в процессе развития сжатия-сдвига /В. И. Шкарлет, В. Н. Свиденко // Тр. Фрунз. политехи, ин-та. – 1976. – Вып. 92.


Все статьи автора «Шорин Владимир Алексеевич»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация